并发编程之ConcurrentLinkedQueue

一、 前言

常用的并发队列有阻塞队列和非阻塞队列，前者使用锁实现，后者则使用CAS非阻塞算法实现，使用非阻塞队列一般性能比较好，下面就看看常用的非阻塞ConcurrentLinkedQueue是如何使用CAS实现的。

二、 ConcurrentLinkedQueue类图结构

如图ConcurrentLinkedQueue中有两个volatile类型的Node节点分别用来存在列表的首尾节点，其中head节点存放链表第一个item为null的节点，tail则并不是总指向最后一个节点。Node节点内部则维护一个变量item用来存放节点的值，next用来存放下一个节点，从而链接为一个单向无界列表。

如上代码初始化时候会构建一个item为NULL的空节点作为链表的首尾节点。

三、offer操作

offer操作是在链表末尾添加一个元素，下面看看实现原理。

从构造函数知道一开始有个item为null的哨兵节点，并且head和tail都是指向这个节点，然后当一个线程调用offer时候首先

如图首先查找尾节点，q==null,p就是尾节点，所以执行p.casNext通过cas设置p的next为新增节点，这时候p==t所以不重新设置尾节点为当前新节点。由于多线程可以调用offer方法，所以可能两个线程同时执行到了（1）进行cas，那么只有一个会成功（假如线程1成功了），成功后的链表为：

失败的线程会循环一次这时候指针为：

这时候会执行（3）所以p=q,然后在循环后指针位置为：

所以没有其他线程干扰的情况下会执行（1）执行cas把新增节点插入到尾部，没有干扰的情况下线程2 cas会成功，然后去更新尾节点tail,由于p!=t所以更新。这时候链表和指针为：

假如线程2cas时候线程3也在执行，那么线程3会失败，循环一次后，线程3的节点状态为：

这时候p!=t ；并且t的原始值为told，t的新值为tnew ,所以told!=tnew，所以 p=tnew=tail;

然后在循环一下后节点状态:

q==null所以执行（1）。

现在就差p==q这个分支还没有走，这个要在执行poll操作后才会出现这个情况。poll后会存在下面的状态

这个时候添加元素时候指针分布为：

所以会执行（2）分支 结果 p=head

然后循环，循环后指针分布：

所以执行(1),然后p!=t所以设置tail节点。现在分布图：

自引用的节点会被垃圾回收掉。

四、 add操作

add操作是在链表末尾添加一个元素，下面看看实现原理。

其实内部调用的还是offer

五、poll操作

poll操作是在链表头部获取并且移除一个元素，下面看看实现原理。

当队列为空时候：

可知执行（3）这时候有两种情况，第一没有其他线程添加元素时候(3)结果为true然后因为h!=p为false所以直接返回null。第二在执行q=p.next前，其他线程已经添加了一个元素到队列，这时候（3）返回false，然后执行（5）p=q,然后循环后节点分布：

这时候执行（1）分支，进行cas把当前节点值值为null，同时只有一个线程会成功，cas成功 标示该节点从队列中移除了，然后p!=h,调用updateHead方法，参数为h,p;h!=p所以把p变为当前链表head节点，然后h节点的next指向自己。现在状态为：

cas失败 后 会再次循环，这时候分布图为：

这时候执行（3）返回null.

现在还有个分支（4）没有执行过，那么什么时候会执行那？

这时候执行（1）分支，进行cas把当前节点值值为null，同时只有一个线程A会成功，cas成功 标示该节点从队列中移除了，然后p!=h,调用updateHead方法，假如执行updateHead前另外一个线程B开始poll这时候它p指向为原来的head节点，然后当前线程A执行updateHead这时候B线程链表状态为：

所以会执行（4）重新跳到外层循环，获取当前head,现在状态为：

六、peek操作

peek操作是获取链表头部一个元素（只读取不移除），下面看看实现原理。

代码与poll类似，只是少了castItem.并且peek操作会改变head指向，offer后head指向哨兵节点，第一次peek后head会指向第一个真的节点元素。

七、size操作

获取当前队列元素个数，在并发环境下不是很有用，因为使用CAS没有加锁所以从调用size函数到返回结果期间有可能增删元素，导致统计的元素个数不精确。

八、remove操作

如果队列里面存在该元素则删除给元素，如果存在多个则删除第一个，并返回true，否者返回false

九、contains操作

判断队列里面是否含有指定对象，由于是遍历整个队列，所以类似size 不是那么精确，有可能调用该方法时候元素还在队列里面，但是遍历过程中才把该元素删除了，那么就会返回false.

十、开源框架中使用

Tomcat中NioEndPoint中的每个poller里面就维护一个ConcurrentLinkedQueue用来作为缓冲存放任务。

10.1 Acceptor线程

accept线程作用是接受客户端发来的连接请求并放入到事件队列。

看下代码：

10.2 Poll线程

poll线程作用是从事件队列里面获取事件把链接套接字加入selector,并且监听socket事件进行处理。

十一、有意思的问题

10.1 一个判断的执行结果分析

offer中有个 判断 t != (t = tail）假如 t=node1;tail=node2;并且node1!=node2那么这个判断是true还是false那，答案是true，这个判断是看当前t是不是和tail相等，相等则返回true否者为false，但是无论结果是啥执行后t的值都是tail。

下面从字节码来分析下为啥？

一个例子

结果为：true;

字节码文件：

一开始栈为空

第0行指令作用是把值2入栈栈顶元素为2

第1行指令作用是将栈顶int类型值保存到局部变量t中。

第2行指令作用是把值3入栈栈顶元素为3

第3行指令作用是将栈顶int类型值保存到局部变量tail中。

第4调用打印命令

第7行指令作用是把变量t中的值入栈

第8行指令作用是把变量tail中的值入栈

现在栈里面元素为3，2并且3位栈顶

第9行指令作用是当前栈顶元素入栈，所以现在栈内容3，3，2

第10行指令作用是把栈顶元素存放到t，现在栈内容3，2

第11行指令作用是判断栈顶两个元素值，相等则跳转 18。由于现在栈顶严肃为3，2不相等所以返回true.

第14行指令作用是把1入栈。

然后回头分析下!=是双目运算符，应该是首先把左边的操作数入栈，然后在去计算了右侧操作数。

10.2 Node的构造函数

另外对于每个节点Node在构造时候使用UnSafe.putObject设置item替代了直接对volatile的赋值，这个是为了性能考虑？为啥不直接赋值那，看看类注解怎么说：

When constructing a Node (before enqueuing it) we avoid paying for a volatile write to item by using Unsafe.putObject instead of a normal write. This allows the cost of enqueue to be”one-and-a-half”

CASes.

也就是说当构造Node节点时候（这时候节点还没有放入队列链表）为了避免正常的写volatile变量的开销 使用了Unsafe.putObject代替。这使元素进队列仅仅花费1.5个cas操作的耗时。这个是说使用Unsafe.putObject比直接给volatile变量赋值更高效？目前还没有查到相关资料。

十二、总结

ConcurrentLinkedQueue使用CAS非阻塞算法实现使用CAS解决了当前节点与next节点之间的安全链接和对当前节点值的赋值。由于使用CAS没有使用锁，所以获取size的时候有可能进行offer，poll或者remove操作，导致获取的元素个数不精确，所以在并发情况下size函数不是很有用。另外第一次peek或者first时候会把head指向第一个真正的队列元素。

下面总结下如何实现线程安全的，可知入队出队函数都是操作volatile变量：head，tail。所以要保证队列线程安全只需要保证对这两个Node操作的可见性和原子性，由于volatile本身保证可见性，所以只需要看下多线程下如果保证对着两个变量操作的原子性。

对于offer操作是在tail后面添加元素，也就是调用tail.casNext方法，而这个方法是使用的CAS操作，只有一个线程会成功，然后失败的线程会循环一下，重新获取tail，然后执行casNext方法。对于poll也是这样的。